五軸混聯(lián)機床運動學和動力學仿真

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

3-TPS混聯(lián)機床為五自由混聯(lián)機床,該混聯(lián)機床是以并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ),采用串聯(lián)約束的一種新型并聯(lián)機床?；炻?lián)機構(gòu)通常是一個多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)禍合的復雜系統(tǒng)。連桿速度和驅(qū)動力是設(shè)計時必須考慮的重要指標,它直接關(guān)系到驅(qū)動電動機參數(shù)的選擇和零件設(shè)計,難以用普通的方法較準確地分析各個連桿速度和驅(qū)動力的變化。而ADAMS軟件卻能解決這一復雜問題,它能根據(jù)機械系統(tǒng)模型,自動建立系統(tǒng)的運動學和動力學方程并加以求解。因此運用仿真的方法分析混聯(lián)機構(gòu)運動時連桿的驅(qū)動力和速度具有重要的意義。

1 、3-TPS混聯(lián)機床機構(gòu)特點

該機構(gòu)如圖1所示,由三個并聯(lián)的伸縮桿組成,各桿分別與固定鉸支座(固定平臺)以虎克鉸聯(lián)接與動平臺相聯(lián)。
當三桿根據(jù)加工要求分別伸長或縮短時,使動平臺具有x,y,z,y'四個自由度。若再在旋轉(zhuǎn)刀具的下方安裝一個數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,此機床即可以實現(xiàn)五面體加工。如果再配置自動換刀機構(gòu),該機床將進化為臺五軸聯(lián)動加工中心。

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2.混聯(lián)機床三維模型建立及參數(shù)化

2.1建立三維模型

目前工業(yè)界的CAD/CAM軟件有很多,譬如proe、UG,但是基于Windows的SolidWorks充分利用了有廣泛群眾基礎(chǔ)的Microsoft Windows圖形用戶界面。同時該軟件也完全支持參數(shù)化設(shè)計,使得機械設(shè)計工程師能快速地按照其設(shè)計思想繪制草圖,嘗試運用各種特征與不同尺寸,以及生成實體模型,接近于實際物體。另外與ADAMS軟件有很好的接口,導人方便,因此本文的模型采用SolidWorks建立。
首先根據(jù)機床設(shè)計的指標和圖紙,在三維軟件SolidWorks里進行三維建模、裝配等一系列過程,然后以Parasolid格式將三維模型的幾何、質(zhì)量和約束等關(guān)系導人到ADAMS軟件中。在圖形文件交換時采用Parasalid格式可以防止數(shù)據(jù)丟失,這對仿真結(jié)果的正確性和有效性有重要的影響。

2. 2模型的參數(shù)化

通過參數(shù)化建模,可以在參數(shù)設(shè)置中改變其變量。在分析過程中,只需改變樣機模型中有關(guān)參數(shù)值,就可以自動地更新整個樣機模型。機床三維模型以Parasalid格式導人ADAi41S/View后,先需要添加零件的材料,修改零件名稱,零件之間的約束關(guān)系(移動副,轉(zhuǎn)動副,鉸接,球接,固定),然后在刀尖添加驅(qū)動Generalmotion。打開ADAMS/View的自檢結(jié)果表,檢查所添加的約束關(guān)系和自由度是否正確,先對仿真模型進行相應(yīng)修改,調(diào)整相應(yīng)結(jié)構(gòu)、裝配位置、零件之間約束關(guān)系,然后進行反復的仿真分析和數(shù)據(jù)處理,最終得到滿意的虛擬樣機模型。

3混聯(lián)機床運動學和動力學仿真

混聯(lián)機床運動學和動力學仿真,就是刀尖按照某種切削路徑運動,計算各構(gòu)件的速度、加速度和受力情況,檢查各機構(gòu)的相對運動狀態(tài),是否發(fā)生干涉,考察和評價系統(tǒng)的速度和動力特性。
在仿真三桿速度和驅(qū)動力時,銑削加工可分為兩種情況:第一種是空載,根據(jù)機床刀具以最大速度為0.5 m/s和加速度運動為1g時,測得井桿最大速度和驅(qū)動力;第二種是刀具勻速進給v=0.4 mls,同時受到銑削力的作用。銑刀選擇立銑刀,工件材料:碳鋼,根據(jù)經(jīng)驗公式

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經(jīng)過計算和仿真可知第一種的驅(qū)動力大于第二種驅(qū)動力,所以研究第一種情況是有重要參考價值的。
現(xiàn)在以第一種情況進行仿真,圖2是刀具的最大速度(0.5 m/s)和加速度(1動是以正弦和余弦曲線進給。在ADAMS中給定位移運動方程以刀具沿X方向運動為例,進行設(shè)置如下:

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在進行運動學和動力學仿真時,刀具在不同的位置和進給方向,各個桿都會產(chǎn)生不同的速度和驅(qū)動力。

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機床在極限條件下進行進給,并使刀具走遍工作空間內(nèi)的所有點,各桿件速度和驅(qū)動力的最大值,就是所需的最大速度和驅(qū)動力。工作空間(400,400,400)如圖3所示,單位mm.
工作空間搜索具體方法如下:第一步:初設(shè)置刀尖點1坐標(200,200,-200 ),從1點分別沿±X, ± Y,±Z六個方向平移,在ADAMS軟件的后置處理中記錄各桿件速度和驅(qū)動力,如圖4和圖5所示,然后比較其大小,找到此點的最大值;第二步:改變刀尖點坐標,增量△X=△Y=△Z=10 mm,重復第一步方法,真到刀尖點坐標移到點5(-200,-200,200)位置上。第三步:統(tǒng)計工作空間內(nèi)刀尖坐標變化后的所有測量值,找到空間內(nèi)每個桿件上速度和驅(qū)動力最大值,以及速度與驅(qū)動力乘積的最大值。經(jīng)過ADAMS/Measure測得刀具沿± Y方向運動時,桿L2在點1速度最大;桿LI在點2速度最大;刀具沿± Z方向運動時,桿L3在點3速度最大;如圖6所示。刀具沿± Z方向運動時,桿L2在工作空間點2驅(qū)動力最大;桿L1在點1驅(qū)動力最大;桿L3在點4驅(qū)動力最大。如圖7所示。

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4三桿驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速和功率的確定

根據(jù)上述三桿速度和驅(qū)動力的仿真結(jié)果,確定電機的轉(zhuǎn)速和功率

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5結(jié)語

通過對3-TPS混聯(lián)機床在ADAMS軟件中仿真分析,在混聯(lián)機床以最大速度0. 5 mls,最大加速度1g的條件下進給時,獲得了三個驅(qū)動桿的速度變化范圍以及三個桿的驅(qū)動力變化情況。通過分析仿真的結(jié)果,可見機床的三個驅(qū)動桿速度變化均勻平穩(wěn),驅(qū)動力的變化也比較平穩(wěn)。以多體系統(tǒng)運動學和動力學為基礎(chǔ)的ADAMS用來仿真分析混聯(lián)機床是可行的;仿真結(jié)果為構(gòu)建五軸棍聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)的速度規(guī)劃以及驅(qū)動電動機的選擇提供重要參考。

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